Окислительные процессы в системе дигидрокверцетин – изопропанол - вода, инициируемые ионами кальция

Full Paper ______________________ A.T. Teleshev, E.N. Mishina, N.N. Kamkin, A.A. Belousov, and E.N. Ofitserov

Размещено на http://www.allbest.ru/

78 ___________________ http://butlerov.com/ ____________________©--Бутлеровские сообщения. 2016. Т.46. №5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Окислительные процессы в системе дигидрокверцетин - изопропанол - вода, инициируемые ионами кальция

Древесина лиственницы, обладающая уникальными свойствами по прочности и долговечности, используется также для получения различных биологически активных веществ, древесных смол и модифицированной древесной массы [1-3]. Среди биологически активных веществ, содержащихся в древесине лиственницы, практический интерес вызывают дигидрокверцетин (ДКВ) и кверцетин (КВ), что связано с использованием этих соединений в медицине [4]. Для ДКВ и КВ характерными являются окислительно-восстановительные процессы, реализующиеся как в природных, так и в техногенных химических системах, однако, особую значимость имеет специфическое взаимодействие флавоноидов с ферментами, определяющее их биологическую активность. Примером технологически значимого окислительно-восстановительного процесса является превращение ДКВ в КВ при сульфитной варке древесины лиственницы. Следует отметить, что в литературе описаны процессы превращения ДКВ в КВ как при непосредственной обработке древесины бисульфитами щелочноземельных металлов и одновременном гидролизе перегретым водяным паром [5], так и при обработке уже полученного из древесного сырья водного гидролизата [6].

Направление окислительно-восстановительных процессов с участием ДКВ существенно зависят от условий реакции и электронного состояния кислорода. Так, в работе [7] исследовано вольтамперометрическое поведение соединений фенольного ряда, в том числе ДКВ и КВ. Установлено, что эти соединения отличаются по легкости окисления, при этом константа скорости взаимодействия анион-радикала кислорода с ДКВ выше, чем для КВ.

С другой стороны, при исследовании низкоконцентрированных растворов флавоноидов, содержащих растворенный триплетный кислород, показано, что ДКВ взаимодействует с кислородом легче КВ [8]. Известно, что отсутствие сопряжения между циклами в молекуле ДКВ и наличие такого сопряжения в молекуле КВ, обуславливает их различное взаимо-действие с молекулярным кислородом. Авторы объясняют такое различие высокой энергией сопряжения колец А и В в молекуле КВ, следствием чего является плоская структура, в отличие от вывернутого положения кольца В относительно плоскости колец А и С для ДКВ, что в значительной степени затрудняет образование аддукта КВ с триплетным кислородом.

Для разрешения имеющегося противоречия о возможности получении КВ из ДКВ окислением последнего бисульфитами щелочноземельных металлов, с одной стороны, и данными о более высоких показателях окисления КВ, с другой, нами было проведено исследование окислительных процессов в системе ДКВ - изопропанол - вода - молекулярный кислород, в присутствии ионов кальция. Кальций, как инициатор окисления, выбран исходя из данных по содержанию зольных элементов в древесине лиственницы, среди которых, выделяется этот металл. Так, атомное содержание кальция в золе Даурской лиственницы составляет около 13%, что заметно превосходит количественное содержание других металлов (табл. 1).

дигидрокверцетин кверцетин лиственница окислительный

Табл. 1. Зольные элементы древесины Даурской лиственницы

В процессе в качестве субстрата использовали ДКВ, полученный согласно [3]. Исходным сырьем служила древесина лиственницы, представленная ЗАО «Аметис» (г. Благовещенск). Окислителем являлся молекулярный кислород.

Найдено, что при термической обработке ДКВ в водном изопропаноле (ИП) в атмосфере кислорода в присутствии ионов кальция реализуются следующие основные окислительно-восстановительные процессы:

ДКВ при взаимодействии с молекулярным кислородом в присутствии ионов кальция образует оксильный радикал, который способен трансформироваться в КВ с образованием пероксида водорода в качестве побочного продукта. Вероятно, изменение структуры ДКВ при его окислении молекулярным кислородом, описываемое в настоящей работе, связано с образованием промежуточных уплощенных кальциевых комплексов. Ранее это положение обсуждалось нами в работе [9] при рассмотрении вопроса рацемизация ДКВ под влиянием ионов кальция. В свою очередь, образовавшийся в ходе реакции, пероксид водорода идет на окисление присутствующего в реакционной смеси ИП с образованием ацетона (АЦ). Следует отметить появление в реакционной среде в меньших количествах этилацетата и метилэтил-кетона.

Установлено, что в атмосфере инертного газа в присутствии ионов кальция или в атмосфере кислорода, но в отсутствии ионов щелочноземельного металла, указанные про-цессы окисления не реализуются. При длительном нагревании спиртового раствора ДКВ в отгоне ИП отсутствуют АЦ, этилацетат и метилэтилкетон.

Продукты, содержащиеся в реакционной смеси, анализировались с помощью спектроскопии ЯМР ¹Н, ИК и хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС). Из реакционной смеси ДКВ и КВ выделены спектрально чистыми.

Следует отметить, что согласно данным термогравиметрического анализа (рис.1) чистота КВ - продукта окисления ДКВ, выделенного из реакционной смеси находится в приближении к чистоте КВ-реактива (CAS 6151-25-3).

Рис. 1. Термогравиметрические кривые, полученные при исследовании образцов: КВ - продукта окисления ДКВ (1), КВ - реактива (2)

Образование солей кальция с ДКВ и КВ не было зарегистрировано. Это обстоятельство, по-видимому, связано с тем, что при проведении процесса использовался недостаток гидроксида кальция (мольное отношение ДКВ - Сa(OH)₂, 10:1), а реакционная масса после отгона растворителя обрабатывалась уксусной кислотой.

В спектре ЯМР ¹Н отгона растворителя присутствуют сигналы протонов ИП 3.7, 0.9 м.д., протонов воды 4.6 м.д. и сигнал от продуктов окисления ИП 2.0 м.д. На образование карбонилсодержащих соединений - продуктов окисления, указывают также ИК-спектр отгона растворителя, имеющий характерную полосу поглощения н(СО) в области 1756 см^-1.

Рис. 2. Хроматограммы (мониторинг выбранных ионов): а) исходного изопропанола (хч), б) отгона растворителя из реакционной среды, в) отгона растворителя с добавкой (0.2 об.%) чистого ацетона

Подтверждением очевидного образования продуктов окисления ИП являются данные ГХ-МС, полученные при анализе отгона растворителя из реакционной смеси. Идентификацию хроматографических пиков проводили по масс-спектральным данным в режиме полного ионного тока с использованием масс-спектральной библиотеки NIST 2011. Ацетон также идентифицировали по масс-спектрам SIM (мониторинг выбранных ионов) и по времени удерживания при вводе чистого ацетона. Отношение пиков 43 и 58 а.е.м согласно данным библиотеки NIST 2011 - 100:25, полученное в наших экспериментальных условиях - 100:30. Хроматограммы отгона растворителя из реакционной смеси приведены на рис. 2. Результаты идентификации хроматографических пиков приведены в табл. 2.

Табл. 2. Идентификация хроматографических пиков по данным ГХ-МС

В связи с наблюдаемым эффектом окисления ИП в АЦ интересен факт синтеза АЦ из ИП в клетках печени, например, согласно данным работы [10]. Проведенные нами наблюде-ния in vitro за трансформацией ИП в АЦ в присутствии ДКВ могут быть частично учтены при моделировании потенциально допустимых процессов в живом организме.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о возможности окисления ДКВ под действием триплетного кислорода, зависящей от условий реакции.

Озоление образцов древесины проводили согласно [11].

Анализ зольных элементов проводили на спектрометрическом анализаторе ЭМАЛ-2 после озоления образца древесины.

Термическую обработку ДКВ в водном изопропаноле в атмосфере кислорода в присутствии ионов кальция проводили следующим образом.

Навеску ДКВ 3 г при нагревании в атмосфере кислорода растворяли в 50 мл смеси изопропанол-вода, 2:1 об. К кипящему раствору добавляли 0.06 г гидроксида кальция. Раствор кипятили 3 ч, с последующим охлаждением. При этом отмечалось помутнение раствора и изменение цвета со светло-желтого до оранжевого. Поглощение кислорода (0.065 л) в ходе реакции регистрировали волюметрически. По окончании процесса поглощения кислорода из реакционной смеси на роторно-вакуумном испарителе отгоняли растворитель. Полученный желтый остаток нагревали при 50 ^оС в 50 мл воды, подкисленной уксусной кислотой до рН 5.5, в течение 30 мин. Затем проводили горячее фильтрование. Осадок представлял КВ в количестве 0.26 г. Фильтрат охлаждали на ледяной бане и выпавший осадок ДКВ отфильтровали. Осадки КВ и ДКВ высушивали при температуре 90-100 ^_С (1 мм рт. ст.) над пятиокисью фосфора.

Чистота выделенных из реакционной смеси КВ и ДКВ подтверждалась данными ЯМР ¹Н, полученными на спектрометре JNM-ECX400 фирмы Jeol относительно - тетраметилсилана.

Кверцетин (D₆-ДМСО), д, м.д: 6.16 (д,1Н, ⁴J_HH 1.8 Гц, Н⁸), 6.38 (д, 1Н,⁴J_HH 1.8 Гц, Н⁶), 6.85 (д,1Н,³J_HH 8.3 Гц, Н^5'), 7.48 (дд, 1Н,³J_HH 8.7 Гц, ⁴J_HH 2.3 Гц, Н^6'), 7.62 (д, 1Н,⁴J_HH 2.3 Гц, Н^2'), 9.35 (с, 1Н, С^4'-OH), 9.58 (с, 1Н, С^3'-OH), 9.60 (с, 1Н, С³-ОН),10.74 (с, 1Н, С⁷-OH), 12.47 (с, 1Н, С⁵-OH).

Дигидрокверцетин (D₆-ДМСО), д, м.д.: 4.47 (дд,1Н, ³J_HH 5.5 Гц,³J_HH 11.5 Гц,Н³), 4.93 (д, 1Н,³J_HH 11.4 Гц, Н²), 5.70 (д, 1Н,³J_HH 5.9 Гц, С³-ОН), 5.82(д,1Н, ⁴J_HH 1.8 Гц,Н⁸), 5.86 (д, 1Н,⁴J_HH 1.8 Гц, Н⁶), 6.7 (с, 2Н, С^5'Н и С^6'Н), 6.83 (с,1Н, С^2'Н), 8.96 (с, 1Н, С^4'-OH), 9.01(с, 1Н, С^3'-OH),10.80 (с, 1Н, С⁷-OH), 11.87 (с, 1Н, С⁵-OН).

ИК-спектры регистрировали на спектрометра Nicolet 380, стекло ZnSe.

Термогравиметрический анализ образцов проводили на термомикровесах TG 209 F1 Iris фирмы «Netzsch» в динамических условиях нагрева в токе аргона. Навески образцов составляли 6 мг, анализ проводился при скорости нагрева 20 ^оС/мин.

ГХ-МС анализ проводили на системе, состоящей из одностадийном квадрупольного масс-спектрометра DSQII, газового хроматографа Focus GC и автодозатора AI 3000. Ввод образцов в инжектор газового хроматографа осуществлялся автодозатором, объем вводимой пробы - 1 мкл. Хроматографирование проводилось в следующих условиях: начальная температура термостата 35 ^оС выдержка 5 мин, нагрев 20 ^оС/мин до температуры 150 ^оС, и выдержка - 2 мин. Температура инжектора - 180 ^оС, деление потока 1:37. Поток газа носителя - 1.5 мл/мин в режиме постоянного потока, температура трансферной линии - 180 ^оС. Масс-спектры регистрировались в двух режимах, энергия ионизации оставалась постоянной во всех экспериментах - 70 эВ, температура ионного источника для всех экспериментов - 175 ^оС. Режим 1: Сканирование по полному ионному току в интервале 40-350 а.е.м., скорость сканирования 500 а.е.м./с, ток эмиссии 50 мкА. Режим 2: Скани-рование по выбранным ионным токам 43, 58 а.е.м., ток эмиссии 50 мкА. Хроматографическая колонка: Thermo TR-FAPP (полиэтиленгликоль модифицированный нитротерефталевой кислотой), длина 50 м, диаметр 0.32 мм, толщина слоя неподвижной фазы 0.5 мкм.

Окислительно-восстановительные процессы, протекающие в системе дигидрокверцетин-изопропанол - вода - молекулярный кислород, в присутствии ионов кальция включают: образование кверцетина и окисление изопропанола в ацетон, что может быть учтено при построении новых каталитических схем и схем потенциально допустимых процессов в живом организме.

Литература

дигидрокверцетин кверцетин лиственница окислительный

[1] Тюкавкина Н.А., Лаптева К.И., Медведева С.А. Фенольные экстрактивные вещества рода Larix (обзор). Химия древесины. 1973. Вып.13. С.3-17.

[2] Бабкин В.А., Остроумова Л.А., Дьячкова С.Г., Святкин Ю.К., Бабкин Д.В., Онучина Н.А. Безотходная комплексная переработка биомассы лиственницы сибирской и даурской. Химия в интересах устойчивого развития. 1997. №5. С.105-115.

[3] Телешев А.Т., Казиев Г.З., Коротеев М.П., Кухарева Т.С., Коротеев А.М., Мишина Е.Н., Мишина В.Ю., Нифантьев Э.Е. Способ комплексной переработки древесины лиственницы. Патент РФ № 2547107. 2015.

[4] Абдрасилов Б.С., Музафаров Е.Н. Флавоноиды: биохимия, биофизика, медицина. М.: Bookvika. 2013. 327c.

[5] Левданский В.А. Получение кверцетина из древесины лиственницы в условиях «взрывного» автогидролиза в присутствии бисульфита магния. Химия растительного сырья. 2008. №4. С.55-58.

[6] Бобров А.И., Мутовина М.Г., Тюкавкина Н.А., Лаптева К.И., Бондарева Т.А., Крылова В.И. Способ получения кверцетина. АС № 317653. 1971.

[7] Зиятдинова Г.К., Гильметдинова Д.М., Будников Г.К., Офицеров Е.Н. Вольтамперометрическое поведение соединений фенольного ряда, обладающих антиоксидантными свойствами. Уч. зап. Казанск. гос. Ун-та. Естеств. науки. 2005. Т.147. №1. С.141-149.

[8] Офицеров Е.Н., Каратаева А.В., Соловьева И.Н., Сергеева С.Н. Растительные флавоноиды. К связи строения и свойств на примере кверцетина и дигидрокверцетина. Материалы Международной научно-практической конференции «Микроэлементы и регуляторы роста в питании растений: теоретические и практические аспекты. Ульяновск. 2014. С.83-92.

[9] Телешев А.Т., Мишина Е.Н., Паренаго О.О., Устинович К.Б., Покровский О.И., Перепелкин М.В. Анализ продуктов рацемизации нативного дигидрокверцетина с помощью сверкритической флюидной хроматографии. Тезисы докладов VII Научно-практической конференции с международным участием «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации». Зеленоградск. 2013. С.200-202.

[10] D.R. Danniel, B.H. McAnalley, J.C. Garriott. Isopropil alcohol metabolism after acute intoxication in humans. J Anal Taxicol. 1981. Vol.5. P.110-112.

[11] ГОСТ 16362-86 Мука древесная. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов. 1999. 11с.

Размещено на Allbest.ru